DE4433444A1 - Verfahren und Anlage zur biologischen Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiellen Abwasserreinigung sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist geeignet für die Anwendung sowohl einer nur aeroben als auch einer nur anaeroben Technologie. Das zu behandelnde Abwasser kann kommunaler und gewerblicher Herkunft sein und kann auch von Altlasten stammen.

Verfahren und entsprechende technische Einrichtungen bzw. Anlagen zur biologischen Reinigung von Abwässern der unterschiedlichsten Herkunft und Zusammensetzung sind aus der Literatur und dem üblichen Einsatz bekannt. Dabei werden diese Verfahren u. a. nach folgenden Hauptkriterien unterschieden:

aerob - anaerob
frei schwebende - sessile Biomasse
spezifisch - simultan
hochbelastet - schwachbelastet
Durchlauftyp - Batchtyp.

Je nach vorliegender Abwasserart, -zusammensetzung und Reinigungs- oder Betriebsziel werden die Verfahren und Anlagen auf der Grundlage der genannten Grundelemente i.a. als Kombination konzipiert und zusammengestellt. Dabei sind primär die Vorteile der einzelnen Komponenten die Entscheidungsbasis für ihre Verwendung, obwohl in jedem einzelnen Falle immer auch die Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Dies gilt auch insbesondere für die Alternativentscheidung zugunsten einer frei schwebenden Biozenose im Belebtschlammverfahren oder aber zugunsten einer sessilen Mikroflora im Festbettverfahren.

Die Nachteile des Belebtschlammverfahrens bestehen u. a. darin, daß es ausschließlich aerob und nur für schwach bzw. mittelbelastete Abwässer anwendbar ist. Stickstoff- und Phosphor- Elimination können nur durch bestimmte zusätzliche Verfahrensschritte und effektiv auch nur in Großanlagen realisiert werden. Belebtschlammverfahren benötigen außerdem relativ große Reaktionsvolumina und Durchflußflächen in der Nachklärung.

Die Nachteile des Festbettverfahrens bestehen u. a. in der örtlichen Diskontinuität des Bewuchses der Trägermaterialien und des damit verbundenen Stoffaustausches und des Stoffumsatzes. Die Schichtdicke eines biologischen Rasens beeinträchtigt die Stoffwechselmöglichkeiten der Mikroorganismen. Die unteren, älteren Bewuchsschichten können nur eingeschränkt stoffwechselaktiv werden.

Um eine effektivere und betriebssichere Abwasserreinigung durchführen zu können, stellt sich die Erfindung daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anlage zur biologischen Abwasserreinigung zu finden, in der die Vorteile sowohl des Belebtschlammverfahrens als auch des Festbettverfahrens mindestens in ihrer Gesamtheit zum Tragen kommen, jedoch die Nachteile beider einzeln ausgeführten Verfahren weitestgehend vermieden werden.

Ausgehend von der Überlegung, daß die Mikroorganismenpopulationen von freiem Belebtschlamm und der sessile Biofilm sich in ihrer Artenzusammensetzung grundsätzlich nicht unterscheiden, sofern das gleiche Milieu, z. B. Abwasser, vorliegt, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß zur Steigerung des Stoffumsatzes und der langzeitlichen Betriebskontinuität verfahrensmäßig ein ständiger kurzzeitiger Wechsel, also eine alternie­ rende, frequentierende Betriebsweise, von freischwebender und sessiler Biozönose in ein und demselben Abwasserreaktor herbeigeführt werden muß.

Die Lösung der Aufgabenstellung für das Verfahren besteht also im wesentlichen darin, in einer vorgegebenen zeitlichen Abfolge die Auflösung der sesssilen Biozönose, vorzugsweise durch ausreichend intensive Bewegung des Bewuchskörpers, vorzunehmen und in einer anschließenden Phase die erneute selbständige Konstitution der Biozönose zu einer sessilen Formation erfolgen zu lassen.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird eine über den Gesamtzyklus gemessene Erhöhung des Stoffumsatzes erreicht.

Die zeitweise Auflösung der sessilen Formation bewirkt einen besseren Stoffaustausch. Aufgrund der vorangegangenen Mangelphase für die unteren Schichten des Biofilms kommt es darüberhinaus zu einem forcierten Stoffumsatz analog dem SBR-Verfahren.

In der sessilen Phase kommen folgende für die Abwasserreinigung positiven Effekte zur Wirkung:

• - Nitrifikanten setzen sich an und verbleiben im System
• - schwebende Partikel werden vom Biofilm aufgenommen und stationär verarbeitet, sofern sie ganz oder teilweise aus organischer Substanz bestehen.

Die verfahrensgemäße Technologie kann sowohl in einem Durchlaufsystem als auch in einem Batchsystem Anwendung finden.

Nachstehend wird die Erfindung in einer Anwendungsform in einer Abwasserbehandlungs­ anlage näher beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Die in einem ISO-Raster-Container installierte Behandlungsanlage

Fig. 2 Das Funktionsschema einer kompletten Containeranlage (CKA) unter Einbeziehung der maximal erforderlichen Zubehörbaugruppen.

Das angewendete komplette Reinigungsverfahren umfaßt beispielsweise folgende Komponenten:

• - mechanische Entfernung grober Feststoffe (Grobreinigungsstufe)
• - hydraulische Abtrennung von suspendierten Sink- und Schwebestoffen (Vorklärung)
• - biologische Elimination von gelösten und suspendierten organischen und mineralischen Schadstoffen durch Mikroorganismen (Biomasse) in einem Bioreaktor (Bioaktivstufe)
• - hydraulische Trennung der Biomasse vom Reinwasser und teilweise Rückführung in den Bioreaktor (Nachklärung)
• - Abtrennung und Mineralisierung von Flotations- und Sedimentationsprodukten aus Vor- und Nachklärung (Schlammstabilisierung).

Die genannten Verfahrenskomponenten werden durch entsprechende technische Einrich­ tungen, z. B. innerhalb eines ISO-Rastercontainers (Größe entsprechend Durchfluß), realisiert. Lediglich eine Feinstrechenanlage (RA) sowie eine aerobthermophile Schlammstabilisierungseinrichtung (ATS) sind an den aus drei Kammerarten bestehenden Klärcontainer als Zubehöreinrichtungen montiert.

Entsprechend den genannten Verfahrenskomponenten enthält der Klärcontainer je zwei Vorklärkammern (VK) und Nachklärkammern (NK) sowie je nach Kapazitätsstufe und Reinigung 2 bis 10 Reaktionskammern (RK). Die Zusammenschaltung (Durchflußreihenfolge) kann je nach Reinigungsziel variiert werden.

Der Bioreaktortyp ist charakterisiert durch ein gemischtes System aus getauchtem, belüftetem Festbett (FB) und submersem Belebtschlamm. Durch gleichzeitige (simultane) Anwendung von zwei Grundarten der biologischen Abwasserbehandlung können insbesondere ihre Vorteile zur Wirkung gebracht werden.

Das Kernstück einer biologischen Abwasserbehandlung ist in jedem Falle der Bioreaktor, in dem der Stoffumsatz abläuft. Eine Mikrobenpopulation von großer Artenvielfalt frißt gewissermaßen die durch das zulaufende Abwasser in den Bioreaktor mitgebrachten Abfall­ stoffe aus dem Wasser heraus. Eingeblasene Luft liefert den erforderlichen Sauerstoff und erzeugt einen turbulenten Strömungszustand und somit den Transport der Nahrung zu den Fressern. Die Mikroorganismen vermehren sich entsprechend der Nahrungszufuhr, sie lagern sich an schwebende, feste Partikel oder Körper an, bilden Schleim und Flocken (den submersen Belebtschlamm) oder einen Biofilm auf dem Festbettkörper (sessile Biomasse). Je nach Art dominieren submerses oder sessiles Auftreten, aber auch je nach räumlich und zeitlicher Gegebenheit. Der sessile Zustand wird von den meisten angestrebt. Manche, z. B. Nitrifikanten, können nur so zu den notwendigen größeren Populationen gelangen. Zur Erhöhung der Wirksamkeit der Biozönose auf der Zeitachse wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwangsweise eine zyklische Variation der Dominanz der submersen und der sessilen Charakteristik der Mikrobenpopulation erzeugt. Dies geschieht durch zeitweises Bewegen des Festbettes.

Neben den Primärzielen der Abwasserreinigung geht es bei jeder Kläranlage auch um eine möglichst geringe Menge an Rückständen. Während der Grobstoffanfall durch die Feinheit der verwendeten Rechenanlage bestimmt wird, hängt die Überschußschlammenge in erster Linie vom Behandlungsverfahren ab.

Das Kaskadenprinzip erzeugt diesbezüglich einen positiven Effekt. In den hinteren Stufen wird ein Teil der suspendierten frei schwebenden Mikroben aus den Vorstufen von höheren Organismen gefressen, so daß eine weitere Reduzierung der organischen Restsubstanz erfolgt.

Das stabile Prozeßverhalten der Festbettechnik ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren vereinigt mit der optimalen Substraterschließung der submersen Biomasse. Die teilweise Schlammrückführung aus der Nachklärung in den Reaktorbereich und die gezielte Beschickung der i.a. in Reihe geschalteten Reaktorstufen (mit Spezialistenausbildung) lassen eine Steuerung der Reinigungsziele zu.

Der allgemein bekannte Effekt des Festbettes, den Verbleib der Nitrifikanten zu sichern, ist bei dem gewählten Reaktortyp ebenfalls vorhanden.

In den Klärcontainer sind zentral zwei nebeneinander angeordnete Vorklärkammern integriert. Bevor das Abwasser von der Rechenanlage kommend in die Vorklärstufe gelangt, passiert es eine Verteilereinrichtung, in der der Strom gleichmäßig aufgeteilt wird. Das Abwasser fließt in Querrichtung des Containers durch eine Emscherrinne. Dabei werden Sink- und Schwebestoffe abgetrennt. Die Sinkstoffe sammeln und verdichten sich in dem Vorklärtrichter darunter, an dem eine Schlammabzugsleitung (SL) angeschlossen ist, über die eine Schlammentsorgung bzw. Weiterleitung in eine Stabilisierungs(ATS)- oder Lagereinrichtung (SL) erfolgen kann.

Aus der Vorklärkammer fließt das mechanisch vorgeklärte Abwasser über eine Ablaufeinrichtung mit durchflußglättender Funktion in zwei getrennten Fluten in die jeweils erste Reaktionskammer (RK).

Von der Mitte zu den Containerenden schließen an den beiden Vorklärkammern die Reaktionskammern an. Je nach Baugröße und Reinigungsziel können dies auf beiden Seiten 1-5 baugleiche Einheiten sein, die nacheinander oder auch parallel durchflossen werden. In die Reaktionskammern eingebaut sind, symmetrisch angeordnet, auf jeder Kammerseite vier Membranbelüfterelemente.

Darüber ist eine drehbar gelagerte Festbetttrommel (FB) angeordnet, die so gestaltet ist, daß sie bei Sperrung einer Druckluftflut, also bei asymmetrischer Belüftung, in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Dabei kommt es zu einer gewollten weitgehenden Ablösung der sessilen Biomasse und somit zur Dominanz der submersen Auftretungsform. Nach Umschaltung auf symmetrische Belüftung kommt es zum Stillstand der Trommel und der Bewuchs des Festbettes beginnt von Neuem.

In dieser Phase erreicht der Stoffumsatz aufgrund der erhöhten Aktivität der Biozenose eine Maximalrate.

Claims (2)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einer Anlage mit Vorklärkammer, Nachklärkammer und mindestens zwei Reaktionskammern, die anlagenmäßig zur Arbeitsweise sowohl nach dem Belebtschlammverfahren als auch nach dem Festbettverfahren ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der jeweiligen oder in den vorbestimmten Reaktionskammern wahlweise, in vorgegebener zeitlicher Abfolge und in Abhängigkeit des qualitativen Inhalts des Reaktors ein Wechsel zwischen freischwebender, submerser und festwachsender, sessiler Charakteristik der Biozönose herbeigeführt wird und daß der Wechsel der Charakteristik durch zeitweise Auflösung der sessilen Formation der Mikroflora, vorzugsweise durch intensives Bewegen des Festbettkörpers, erreicht wird und daß in einer anschließenden Phase die Ausbildung und das Wachstum der sessilen Formation gefördert bzw. unterstützt wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Reaktionskammern jeweils eine Festbetttrommel drehbar gelagert ist und unterhalb der Festbetttrommel beidseits symmetrisch Membranbelüfterelemente angeordnet sind, die ein- oder beidseitig einschaltbar sind.